CN117154398B - 一种耐高温天线罩及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐高温天线罩及其制备方法，耐高温天线罩包括夹层结构透波区和实心结构透波区；夹层结构透波区上设有凹槽，实心结构透波区位于凹槽的位置；夹层结构透波区由第一织物和树脂复合得到；第一织物包括第一蒙皮层、中空织物和第二蒙皮层；实心结构透波区由第二织物和树脂复合得到，第二织物包括第一蒙皮层和第二蒙皮层；夹层结构透波区的厚度大于实心结构透波区的厚度。本发明提供的耐高温天线罩兼具耐高温、优异的力学承载性能，能在不同透波区满足不同的电性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种耐高温天线罩及其制备方法。
背景技术
天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构外壳，要求在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，在机械性能上经受外部恶劣环境的作用，以最大程度的降低对天线参数的影响。目前所制备的雷达天线罩，基本都是使整个电磁窗口与雷达天线罩保持相同的透波性，对于在一个天线罩系统上的不同天线波段区间内，天线罩的透波区并不能同时满足不同电性能。而且随着航空航天技术不断发展，对天线罩的耐温、透波和承载性能要求越来越高，而传统的天线罩已经不能满足需求。
发明内容
本发明实施例提供了一种耐高温天线罩及其制备方法，该耐高温天线罩兼具耐高温、优异的力学承载性能，而且还能在不同透波区满足不同的电性能。
第一方面，本发明提供了一种耐高温天线罩，包括夹层结构透波区和实心结构透波区；所述夹层结构透波区上设有凹槽，所述实心结构透波区位于所述凹槽的位置；所述夹层结构透波区由第一织物和树脂复合得到；所述第一织物包括第一蒙皮层、中空织物和第二蒙皮层；所述实心结构透波区由第二织物和所述树脂复合得到，所述第二织物包括所述第一蒙皮层和所述第二蒙皮层；所述夹层结构透波区的厚度大于所述实心结构透波区的厚度。
优选地，所述中空织物包括第一表层、芯层和第二表层。
更优选地，所述第二织物包括所述第一蒙皮层、所述第一表层、所述第二表层和所述第二蒙皮层。
优选地，所述芯层的结构包括8型、W型、V型、π型、O型、Ⅱ型或Ⅹ型。
优选地，所述中空织物采用一体化机织成型的整体层连中空织物
优选地，所述第一蒙皮层、所述第二蒙皮层均采用高强玻璃纤维布、低介电玻璃纤维布、石英纤维布、无碱玻璃纤维布的至少一种。
更优选地，所述第二织物包括所述第一蒙皮层、透波层和所述第二蒙皮层组成。
优选地，所述整体层连中空织物采用高强玻璃纤维、低介电高性能玻璃纤维、石英玻璃纤维、无碱玻璃纤维、聚酰亚胺纤维、高硅氧玻璃纤维中的至少一种。
优选地，所述树脂为芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂。
更优选地，所述树脂为含硅芳炔树脂。
优选地，所述第一织物和所述树脂的质量之比为50：(42～50)。
优选地，所述夹层结构透波区与所述实心结构透波区的厚度之比为(6～20):(0.4～1.5)。
优选地，所述夹层结构透波区和所述实心结构透波区之间设置有楔形过渡区，所述楔形过渡区包括耐高温树脂和玻璃微珠。
优选地，所述耐高温树脂和所述玻璃微珠的质量之比为100:(10～15)。
优选地，所述耐高温树脂为芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂中的至少一种。
第二方面，本发明还提供了基于上述第一方面提供的耐高温天线罩的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
制备包括第一面层、芯层和第二面层的中空织物；其中，所述中空织物的特定区域无所述芯层；
将第一蒙皮层和所述中空织物铺设后与树脂进行复合，得到本体透波区；
在所述本体透波区的所述特定区域所对应的位置上开设凹槽，并在开设所述凹槽的本体透波区铺设由所述树脂浸渍的第二蒙皮层，得到预制天线罩；
对所述预制天线罩进行共固化处理，得到包括夹层结构透波区和实心结构透波区的所述耐高温天线罩。
优选地，在开设所述凹槽的本体透波区铺设由所述树脂浸渍的第二蒙皮层之前，还包括：
在所述凹槽的边缘设置楔形过渡区；其中，所述楔形过渡区用于连接所述夹层结构透波区和所述实心结构透波区；所述楔形过渡区采用耐高温树脂和玻璃微珠制备得到。
优选地，在开设所述凹槽的本体透波区铺设由所述树脂浸渍的第二蒙皮层之前，还包括：在所述凹槽内铺设透波层。
更优选地，在开设所述凹槽的本体透波区铺设由所述树脂浸渍的第二蒙皮层之前，还包括：在所述凹槽的边缘设置楔形过渡区，并在所述凹槽内铺设透波层。
优选地，所述在所述本体透波区的所述特定区域所对应的位置上开设凹槽，包括：在所述位置去除所述第二面层以开设所述凹槽。
更优选地，所述凹槽的数量为1～4，所述凹槽的形状为矩形、圆形、三角形、平行四边形中的至少一种。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
本发明制备了一种不同透波区复合材料天线罩，其罩面包括至少两个不同透波区域，夹层结构透波区和实心结构透波区，二者厚度不同、层间结构也不同，使得该天线罩能同时满足不同电性能，满足天线罩的不同发射功率。而且夹层结构透波区和实心结构透波区共用第一蒙皮层和第二蒙皮层，通过一体成型便能得到该天线罩，使得该天线罩兼具优异的力学承载性能和透波性能。
本发明以高温树脂为基体，得到的天线罩复合材料可耐300℃以上的高温；而且在使用含硅芳炔树脂为基体时，其使用温度上限可达550℃，同时该树脂具有优良的介电性能和高温陶瓷化性能，进一步提高耐高温天线罩的耐温和透波性能。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种耐高温天线罩的平面结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的一种耐高温天线罩的截面结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的另一种耐高温天线罩的平面结构示意图；
图中：10-夹层结构透波区；20-实心结构透波区；101-第一蒙皮层；102中空织物；103-第二蒙皮层；30-楔形过渡区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种耐高温天线罩，如图1和图2所示，耐高温天线罩包括夹层结构透波区10和实心结构透波区20；夹层结构透波区10上设有凹槽，实心结构透波区20位于凹槽的位置；夹层结构透波区10由第一织物和树脂复合得到；第一织物包括第一蒙皮层101、中空织物102和第二蒙皮层103；实心结构透波区由第二织物和树脂复合得到，第二织物包括第一蒙皮层101和第二蒙皮层103；夹层结构透波区10的厚度大于实心结构透波区20的厚度。
本发明实施例制备了一种不同透波区复合材料天线罩，其罩面包括至少两个不同透波区域，夹层结构透波区和实心结构透波区，二者厚度不同、层间结构也不同，使得该天线罩能同时满足不同电性能，满足天线罩的不同发射功率。而且夹层结构透波区和实心结构透波区共用第一蒙皮层和第二蒙皮层，通过一体成型便能得到该天线罩，使得该天线罩兼具优异的力学承载性能和透波性能。本发明可根据发射功率、透波性能和力学性能要求进行设计不同的夹层结构透波区和实心结构透波区。
需要说明的是，实心结构透波区的位置选择由天线所在的位置确定。
根据一些优选的实施方式，中空织物包括第一表层、芯层和第二表层。
根据一些优选的实施方式，第二织物包括第一蒙皮层、第一表层、第二表层和第二蒙皮层。
根据一些优选的实施方式，芯层的结构包括8型、W型、V型、π型、O型、Ⅱ型或Ⅹ型。
根据一些优选的实施方式，中空织物采用一体化机织成型的整体层连中空织物。
本发明以整体层连中空织物作为天线罩的中间层，天线罩的高度主要取决于该中空织物的芯层的厚度。由于采用了整体层连的中空织物，因此所制备的耐高温天线罩不存在界面相，抗分层、抗冲击性能优良，提高了有效载荷，具有优异的力学承载性能。
根据一些优选的实施方式，第一蒙皮层、第二蒙皮层均采用高强玻璃纤维布、低介电玻璃纤维布、石英纤维布、无碱玻璃纤维布的至少一种。
需要说明的是，至少一种即为任意一种或任意几种以任意比例混合的混合物。
需要说明的是，高强玻璃纤维布采用增强型玻纤纱生产，与无碱玻纤布相比具有强度高，模量高的特点。在本发明中，第一蒙皮层、第二蒙皮层和中空织物的厚度之比并没有特别的固定比，天线罩的高度主要取决于中空织物的厚度，第一蒙皮层和第二蒙皮层的铺层需要结合天线罩体的总厚度、中空织物的力学和电性能仿真结果、蒙皮材料的介电常数与损耗角正切值。
需要说明的是，上述各层的厚度均根据实际应用需求进行灵活设计。
根据一些更优选的实施方式，第二织物包括第一蒙皮层、透波层和第二蒙皮层组成。
具体地，根据实际应用需求选择是否在实心结构透波区中铺设透波层，以进一步提高实心结构透波区的透波性能。透波层可以采用低介电玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、高硅氧玻璃纤维的至少一种材料。
根据一些优选的实施方式，整体层连中空织物采用高强玻璃纤维、低介电玻璃纤维、石英玻璃纤维、无碱玻璃纤维、聚酰亚胺纤维、高硅氧玻璃纤维中的至少一种。
根据一些优选的实施方式，树脂为芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂。
根据一些更优选的实施方式，树脂为含硅芳炔树脂。
本发明以芳炔树脂为基体，具有易加工、高耐热、低介电、高热解残留率、高温可陶瓷化的特征，得到的天线罩复合材料可耐300℃以上的高温，适用于作为功能或功能结构一体化复合材料树脂基体；而且在使用含硅芳炔树脂为基体时，这种引入硅元素的芳基多炔树脂，其特殊的组成和分子结构使其集有机物与无机物特性和功能于一身，硅元素的引入不但使树脂具有更优异的耐热性，其使用温度上限可达550℃，而且赋予树脂优良的介电性能和高温陶瓷化性能，进一步提高耐高温天线罩的耐温和透波性能。
根据一些优选的实施方式，第一织物和树脂的质量之比为50：(42～50)(例如，可以为50:42、50:42.5、50:43、50:44、50:45、50:46、50:47、50:48、50:49、50:49.5或50:50)。
在本发明实施例中，若树脂含量过低，所制备的复合材料的强度和耐久性会降低，而且容易出现开裂和断裂等问题；若树脂含量过高，则所制备的复合材料的硬度和强度虽然会增加，但同时也会使得复合材料变得更脆，容易出现断裂和破损等问题。因此，为了确保所制备的复合材料兼具优异的力学承载性能，将第一织物与树脂的质量之比限定为50:(42～50)。
根据一些优选的实施方式，夹层结构透波区与实心结构透波区的厚度之比为(6～20):(0.4～1.5)(例如，可以为6:0.4、8:0.4、10:0.4、12:0.4、15:0.4、18:0.4、20:0.4、6:0.5、6:0.8、8:0.8、10:0.8、15:0.8、20:0.8、6:1、8:1、10:1、15:1、20:1、6:1.5、8:1.5、10:1.5、15:1.5或20:1.5)。
根据一些优选的实施方式，如图2所示，夹层结构透波区和实心结构透波区之间设置有楔形过渡区30，楔形过渡区30包括耐高温树脂和玻璃微珠。
在本发明实施例中，楔形过渡区包括耐高温树脂和玻璃微珠，用于通过楔形过渡区提高凹槽区的力学性能，分散应力，起到加固的效果。其中玻璃微珠的作用在于：改善耐磨性，用于在树脂基体中起到填充和增强的作用，提高天线罩产品的耐磨性能；提高抗冲击性能，在树脂基体中添加适量的玻璃微珠，能在一定程度上改善天线罩产品的抗冲击性能，提高其耐用性和可靠性；减轻密度，玻璃微珠具有较轻的密度，与纯树脂基体相比能进一步减轻透波层的重量。
根据一些优选的实施方式，耐高温树脂和玻璃微珠的质量之比为100:(10～15)(例如，可以为100:10、100:10.5、100:11、100:11.5、100:12、100:12.5、100:13、100:13.5、100:14、100:14.5或100:15)。
在本发明实施例中，通过限定耐高温树脂和玻璃微珠的质量之比为100:(10～15)，使得透波层所在的实心结构透波区具有低密度、高抗冲击性能和优异的耐磨性能。
根据一些优选的实施方式，耐高温树脂为芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂中的至少一种。
在本发明实施例中，为了进一步确保耐高温天线罩的耐高温性能同时尽可能多的降低热损耗，楔形过渡区采用的树脂优选为含硅芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂。
本发明还提供了一种耐高温天线罩的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
制备包括第一面层、芯层和第二面层的中空织物；其中，中空织物的特定区域无芯层；
将第一蒙皮层和中空织物铺设后与树脂进行复合，得到本体透波区；
在本体透波区的特定区域所对应的位置上开设凹槽，并在开设凹槽的本体透波区铺设由树脂浸渍的第二蒙皮层，得到预制天线罩；
对预制天线罩进行共固化处理，得到包括夹层结构透波区和实心结构透波区的耐高温天线罩。
根据一些优选的实施方式，在开设凹槽的本体透波区铺设由树脂浸渍的第二蒙皮层之前，还包括：
在凹槽的边缘设置楔形过渡区；其中，楔形过渡区用于连接夹层结构透波区和实心结构透波区；楔形过渡区采用耐高温树脂和玻璃微珠制备得到。
在本发明实施例中，夹层结构透波区由第一蒙皮层、中空织物、第二蒙皮层和树脂复合得到；中空织物采用一体化机织成型的整体层连中空织物；实心结构透波区由第一蒙皮层、第二蒙皮层和树脂复合得到。楔形过渡区用于连接夹层结构透波区和实心结构透波区，且楔形过渡区设置在凹槽的边缘位置。
根据一些优选的实施方式，在开设凹槽的本体透波区铺设由树脂浸渍的第二蒙皮层之前，还包括：在凹槽内铺设透波层。
根据一些优选的实施方式，在本体透波区的特定区域所对应的位置上开设凹槽，包括：在位置去除第二面层以开设凹槽。
根据一些优选的实施方式，凹槽的数量为1～4(例如，可以为1、2、3或4)，凹槽的形状为矩形、圆形、三角形、平行四边形中的至少一种。
具体地，图3示出了开设两个凹槽具有两个实心结构透波区20的耐高温天线罩。
在本发明实施例中，中空织物的特定区域没有芯层，通过后续在该特定区域开设凹槽，并去除第二面层后，仅保留夹层结构透波区外面层的第一蒙皮层和中空织物的第一面层及第二面层。如此，在该凹槽上铺设第二蒙皮层进行共固化成型，同时用工装保证其角度和尺寸精度，以在满足天线罩壁电性能要求的同时，控制窗口厚度，通过一体化成型保证天线罩壁的力学性能。
具体地，由于夹层结构透波区已经成型，针对实心结构透波区，在凹槽的边缘区域采用树脂+玻璃微珠进行贴布加强，得到楔形过渡区，同时用工装保证其角度和尺寸精度，最后利用窗口的铝制模具对整个罩体进行固化成型(采用树脂的固化成型曲线)，冷却后，对窗口表面进行局部打磨处理，保证表面的无毛刺、无缺陷。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过实施例对一种耐高温天线罩及其制备方法进行详细说明。
实施例
(1)采用无碱玻璃纤维通过一体化机织成型得到整体层连中空织物；整体层连中空织物包括第一表层、芯层(芯层结构为8型)和第二表层；其中，该中空织物的特定区域无芯层，该特定区域对应为天线窗口的位置和尺寸；
(2)依次将高强玻璃纤维布、步骤(1)中的整体层连中空织物进行铺层，得到本体织物；
(3)将步骤(2)得到的本体织物浸渍在含硅芳炔树脂(第一织物和树脂的质量之比为50:(42～50))中，经真空导流工艺复合成型后得到夹层结构透波区；
(4)在该夹层结构透波区的特定区域上去除高强玻璃纤维布并清除干净，得到凹槽，然后在该凹槽的四周填充聚芳基乙炔树脂和玻璃微珠(聚芳基乙炔树脂与玻璃微珠的质量比为100:(10～15))，同时用工装保证其角度和尺寸精度，然后在整个夹层结构透波区上铺设高强玻璃纤维布，最后利用窗口的铝制模具对整个罩体进行固化成型(采用聚芳基乙炔树脂的固化成型曲线)，冷却后，得到包括实心结构透波区的耐高温天线罩。
通过上述实施例的制备方法得到了夹层结构透波区厚度为10～12mm、实心结构透波区厚度为0.5mm的耐高温天线罩，并对其进行透波性、介电常数、力学性能和热阻的测试，经多次测试发现该耐高温天线罩在6～8GHz频段下，其夹层结构透波区的透波性(插损值)约为0.3dB，介电常数约为1.3-1.6，热阻约为0.25(m2·K)/W；其实心结构透波区的透波性(插损值)约为0.5dB，介电常数约为3.3～3.5，拉伸强度约为450MPa，拉伸弹性模量约为25GPa，而且该耐高温天线罩可以应用在300℃以上的高温环境中。
具体地，介电常数采用GB5597固体电介质微波复介电常数的测试方法；力学性能采用GB/T 1447纤维增强塑料拉伸性能试验方法；透波性采用GJB 7954-2012雷达透波材料透波率测试方法，热阻测试采用GB/T10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法。
在本发明实施例中利用高性能玻璃纤维一体化制造出具有层间高度的三维中空织物，并进一步选择耐高温的含硅芳炔树脂，通过真空导流工艺复合成型得到轻质高强、抗分层、耐高温、且介电常数和损耗角正切值较小的复合材料；然后再通过开设窗口位置以及填充高温树脂和玻璃微珠，并进行共固化处理得到实心结构透波区，实现了电磁窗口与天线罩本体两个透波区域的透波性能不同，成功一体化生产制备出具有两个透波区域的雷达天线罩。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (14)
1.一种耐高温天线罩，其特征在于，所述耐高温天线罩包括夹层结构透波区和实心结构透波区；所述夹层结构透波区上设有凹槽，所述实心结构透波区位于所述凹槽的位置；所述夹层结构透波区由第一织物和树脂复合得到；所述第一织物包括第一蒙皮层、中空织物和第二蒙皮层；所述实心结构透波区由第二织物和所述树脂复合得到，所述第二织物包括所述第一蒙皮层和所述第二蒙皮层；所述夹层结构透波区的厚度大于所述实心结构透波区的厚度；
所述中空织物采用一体化机织成型的整体层连中空织物；
所述夹层结构透波区和所述实心结构透波区之间设置有楔形过渡区，所述楔形过渡区包括耐高温树脂和玻璃微珠。
2.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述中空织物包括第一表层、芯层和第二表层。
3.根据权利要求2所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述第二织物包括所述第一蒙皮层、所述第一表层、所述第二表层和所述第二蒙皮层。
4.根据权利要求2所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述芯层的结构包括8型、W型、V型、π型、O型、Ⅱ型或Ⅹ型。
5.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述第一蒙皮层、所述第二蒙皮层均采用高强玻璃纤维布、低介电玻璃纤维布、石英纤维布、无碱玻璃纤维布的至少一种。
6.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述第二织物包括所述第一蒙皮层、透波层和所述第二蒙皮层组成。
7.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述整体层连中空织物采用高强玻璃纤维、低介电玻璃纤维、石英玻璃纤维、无碱玻璃纤维、聚酰亚胺纤维、高硅氧玻璃纤维中的至少一种；和/或，
所述树脂为芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂。
8.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述树脂为含硅芳炔树脂。
9.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述第一织物和所述树脂的质量之比为50：（42~50）；和/或，
所述夹层结构透波区与所述实心结构透波区的厚度之比为（6~20）:（0.4~1.5）。
10.根据权利要求1所述的耐高温天线罩，其特征在于，
所述耐高温树脂和所述玻璃微珠的质量之比为100:（10~15）；和/或，
所述耐高温树脂为芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂、聚芳基乙炔树脂中的至少一种。
11.根据权利要求1至10中任一所述的耐高温天线罩的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
制备包括第一面层、芯层和第二面层的中空织物；其中，所述中空织物的特定区域无所述芯层；
将第一蒙皮层和所述中空织物铺设后与树脂进行复合，得到本体透波区；
在所述本体透波区的所述特定区域所对应的位置上开设凹槽，并在开设所述凹槽的本体透波区铺设由所述树脂浸渍的第二蒙皮层，得到预制天线罩；
对所述预制天线罩进行共固化处理，得到包括夹层结构透波区和实心结构透波区的所述耐高温天线罩。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在开设所述凹槽的本体透波区铺设由所述树脂浸渍的第二蒙皮层之前，还包括：
在所述凹槽的边缘设置楔形过渡区；其中，所述楔形过渡区用于连接所述夹层结构透波区和所述实心结构透波区；所述楔形过渡区采用耐高温树脂和玻璃微珠制备得到；
和/或，
在所述凹槽内铺设透波层。
13.根据权利要求11或12所述的制备方法，其特征在于，
所述在所述本体透波区的所述特定区域所对应的位置上开设凹槽，包括：在所述位置去除所述第二面层以开设所述凹槽。
14.根据权利要求11或12所述的制备方法，其特征在于，
所述凹槽的数量为1~4，所述凹槽的形状为矩形、圆形、三角形、平行四边形中的至少一种。
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